KR20130051623A - 양면형 태양 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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양주홍
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Abstract

본 발명은 양면형 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 양면형 태양 전지의 제조 방법은 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판에 제1 도전성 타입의 불순물을 확산시켜 후면 전계부를 형성하는 후면 전계부 형성단계; 기판의 후면에 후면 전극을 형성시키는 후면 전극 형성단계; 기판의 전면에 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 증착시키는 에미터부 형성단계; 및 에미터부 상부에 전면 전극을 형성시키는 전면 전극 형성단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 양면형 태양 전지는 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판; 기판의 후면 및 양 측면에 형성되며, 제1 도전성 타입의 불순물이 기판보다 고농도로 도핑되는 후면 전계부; 기판의 후면에 형성된 후면 전계부의 상부에 형성되는 후면 보호층; 기판의 후면에 형성되되, 후면 보호층을 관통하여 후면 전계부에 전기적으로 연결되는 후면 전극; 기판의 전면에 형성되며, 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 포함하는 에미터부; 및 에미터부에 전기적으로 연결되는 전면 전극;을 포함한다.

Description

양면형 태양 전지 및 그의 제조 방법{BI-FACIAL SOLAR CELL AND THE MANUFACTURING MATHOD THEREOF}
본 발명은 양면형 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체부에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 입사된 빛에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형의 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 n형의 반도체부와 p형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결함으로써 전력을 얻는다.
본 발명은 태양 전지의 효율을 향상시키는 양면형 태양 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일례에 따른 양면형 태양 전지의 제조 방법은 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판에 제1 도전성 타입의 불순물을 확산시켜 후면 전계부를 형성하는 후면 전계부 형성단계; 기판의 후면에 후면 전극을 형성시키는 후면 전극 형성단계; 기판의 전면에 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 증착시키는 에미터부 형성단계; 및 에미터부 상부에 전면 전극을 형성시키는 전면 전극 형성단계;를 포함한다.
여기서, 후면 전계부 형성단계와 에미터부 형성 단계 사이에 기판의 전면에 형성된 제1 도전성 타입의 불순물이 확산된 확산층을 제거하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.
아울러, 후면 전계부 형성단계와 후면 전극 형성 단계 사이에는 기판의 후면에 후면 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수도 있다.
또한, 후면 전극 형성단계는 후면 전극을 형성하는 페이스트 물질을 후면 보호층 상부에 형성시키는 단계; 및 고온 가열 공정을 통하여, 후면 보호층 상부에 형성된 페이스트 물질이 후면 보호층을 관통하여 후면 전계부와 연결되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 확산층 제거단계와 에미터부 형성단계 사이에는 기판의 전면에 진성 비정질 실리콘 물질을 증착하는 버퍼층 형성단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 에미터부 형성단계와 전면 전극 형성단계 사이에는 에미터층 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 전면 전극 형성단계는 전면 전극을 형성하는 페이스트를 투면 전극층 상부에 형성시키는 단계; 및 저온 가열 공정을 통하여 전면 전극을 형성하는 페이스트를 건조시켜 전면 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 전면 전극 형성단계에서의 저온 가열 공정 온도는 후면 전극 형성단계에서의 고온 가열 공정 온도보다 낮을 수 있다.
또한, 후면 전계부 형성단계에서는 도핑 소스로 BBr3 또는 POCl3 을 이용할 수 있으며, 후면 전계부 형성단계에서의 공정 온도는 750℃ ~ 900℃ 사이일 수 있다.
또한, 에미터부 형성단계는 PECVD 또는 CVD 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 후면 전극 형성단계에서의 고온 가열 공정 온도는 최대 800℃이하일 수 있으며, 전면 전극 형성단계에서의 저온 가열 공정 온도는 최대 250℃이하일 수 있다.
또한, 후면 전계부 형성 단계에서는 기판의 전후면 및 측면에 후면 전계부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 양면형 태양 전지는 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판; 기판의 후면 및 양 측면에 형성되며, 제1 도전성 타입의 불순물이 기판보다 고농도로 도핑되는 후면 전계부; 기판의 후면에 형성된 후면 전계부의 상부에 형성되는 후면 보호층; 기판의 후면에 형성되되, 후면 보호층을 관통하여 후면 전계부에 전기적으로 연결되는 후면 전극; 기판의 전면에 형성되며, 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 포함하는 에미터부; 및 에미터부에 전기적으로 연결되는 전면 전극;을 포함한다.
여기서, 기판은 다결정 실리콘 기판일 수 있으며, 후면 전계부는 포함되는 제1 타입의 불순물은 붕소(B)일 수 있다.
또한, 에미터부는 비정질 실리콘 물질을 포함할 수 있으며, 전면 전극과 에미터부 사이에는 투명 전도성 산화물을 포함하는 투명 전극층이 더 형성될 수 있다.
또한, 에미터부와 기판 사이에는 진성 비정실 실리콘 물질을 포함하는 버퍼층이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 양면형 태양 전지는 기판과 에미터부가 이종 접합으로 형성되도록 하여 태양 전지의 출력 전압을 향상시키는 효과가 있고, 본 발명에 따른 양면형 태양 전지의 제조 방법은 다결정 기판을 이용하되, 다결정 기판의 금속 불순물을 제거함으로써 다결정 기판의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 양면형 태양 전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 양면형 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3h는 도 1 및 도 2에 도시된 양면형 태양 전지를 제조하는 방법의 일례를 설명한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 양면형 태양 전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 양면형 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 양면형 태양 전지(1)는 기판(110), 에미터부(120), 후면 전계부(back surface field, BSF)(130), 후면 보호층(160) 전면 전극(140) 및 후면 전극(150)을 구비할 수 있다. 아울러, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 버퍼층(121)과 투명 전극층(125)이 더 형성될 수도 있고, 생략되는 것도 가능하다.
이하에서는 버퍼층(121)과 투명 전극층(125)이 형성된 경우를 일례로 설명한다.
이와 같은 본 발명에 따른 태양 전지는 기판(110)의 전면에는 전면 전극(140), 기판(110)의 후면에는 후면 전극(150)을 구비하여, 기판(110)의 전면 및 기판(110)의 후면으로 입사된 빛으로부터 전기를 생산하는 양면형 태양 전지(1)의 구조를 가지고 있다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입을 가질 수 있으며, 이와 같은 기판(110)은 다결정 실리콘 기판(110)로 이루어질 수 있다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑(doping)된다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 n형 도전성 타입일 수 있다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑될 수 있다.
이러한 기판(110)의 전면 및 후면은 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 가질 수 있다. 편의상 도 1에서, 기판(110)의 가장자리 부분만 텍스처링 표면으로 도시하였으나, 실질적으로 기판(110)의 전면 전체가 텍스처링 표면을 갖고 있으며, 이로 인해 기판(110)의 전면 위에 위치한 에미터부(120) 및 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(130) 역시 요철면을 갖는다.
이때, 텍스처링 표면을 주로 알카리 용액(alkaline solution)을 이용하여 형성되며, 복수의 요철은 불규칙한 폭과 높이를 갖고 있다. 이때, 형성되는 각 요철의 폭과 높이는 수십 ㎛일 수 있다.
복수의 요철을 갖고 있는 텍스처링 표면에 의해, 기판(110)의 전면 및 후면 쪽으로 입사되는 빛은 기판(110)의 표면에 형성된 복수의 요철에 의해 복수 번의 반사 동작이 발생하면서 기판(110) 내부로 입사된다. 이로 인해, 기판(110)의 전면 및 후면에서 반사되는 빛의 양이 감소하여 기판(110) 내부로 입사되는 빛의 양이 증가한다.
에미터부(120)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 타입의 반도체 기판(110)의 전면에 형성되며, 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입의 불순물이 기판(110)에 도핑된 영역으로, 기판(110)의 전면 내부에 위치할 수 있다. 따라서 제2 도전성 타입의 에미터부(120)는 버퍼층(121)을 사이에 두고 기판(110)과 p-n 접합을 이룬다.
이와 같은 기판(110)과 에미터부(120)와의 p-n 접합으로 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(110)이 p형이고 에미터부(120)가 n형일 경우, 분리된 정공은 기판(110) 후면 쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(120) 쪽으로 이동한다.
에미터부(120)는 기판(110), 즉, 기판(110)의 제1 도전성 부분과 p-n접합을 형성하므로, 본 실시예와 달리, 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 p형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 기판(110) 후면 쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(120)쪽으로 이동한다.
에미터부(120)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 5가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있고, 반대로 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 3가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있다.
이와 같은 에미터부(120)는 제2 도전성 타입의 불순물을 함유하는 비정질 실리콘 물질 또는 미세 결정질 실리콘 물질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 양면형 태양 전지(1)는 다결정 재질의 기판(110)과 비정질 또는 미세 결정질 재질의 에미터부(120)가 이종 접합을 형성함으로써, 양면형 태양 전지(1)의 개방 전압(Voc)을 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명과 같이, 기판(110)이 결정질 실리콘으로 이루어지고, 에미터부(120)가 비정질 또는 미세 결정질 실리콘으로 이루어지는 경우, 에미터부(120)의 에너지 밴드갭은 기판(110)의 에너지 밴드갭보다 커지게 된다. 이에 따라, 에미터부(120)와 기판(110) 사이에 형성되는 p-n 접합에서 전도대(conduction band)의 밴딩이 커져 출력 전압(Voc)이 커지게 된다.
버퍼층(121)은 에미터부(120)와 기판(110) 사이에 형성되며, 진성 비정질 실리콘 물질 또는 미세 결정질 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 이와 같은 버퍼층(121)은 다결정 재질의 기판(110) 상부에 비정질 또는 미세 결정질 실리콘으로 이루어지는 에미터부(120)를 증착하여 형성할 때, 기판(110)과 에미터부(120)의 오믹 컨텍(ohmic contat)을 형성하기 위한 시드(seed)층으로서 역할을 한다.
투명 전극층(125)은 전면 전극(140)과 에미터부(120) 사이에 형성되며, 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. 이와 같은 투명 전극층(125)은 기판(110)의 전면으로 입사되는 빛의 반사를 최소화하는 반사 방지막으로 기능하고, 에미터부(120)로 수집된 전자나 정공과 같은 캐리어가 전면 전극(140)으로 쉽게 이동되도록 낮은 저항을 갖는다.
후면 전계부(130)는 기판(110)의 후면에 위치할 수 있으며, 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, P+ 영역이다.
이러한 기판(110)의 제1 도전성 영역과 후면 전계부(130)간의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되고, 이로 인해, 정공의 이동 방향인 후면 전계부(130) 쪽으로 전자 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(130) 쪽으로의 정공 이동을 용이하게 한다. 따라서, 기판(110)의 후면 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 원하는 전하(예, 정공)의 이동을 가속화시켜 전면 전극(140)로의 전하 이동량을 증가시킨다.
이와 같은 후면 전계부(130)는 기판(110)의 일부분만을 부분적으로 도시한 도 1 및 도 2에서는 도시되지는 않았지만, 도 3c 내지 도 3h와 같이 기판(110)의 측면 부분에도 형성된다. 이에 따라, 기판(110)의 후면 뿐만 아니라 기판(110)의 측면에서도 전자나 정공 같은 캐리어를 수집할 수 있어 양면형 태양 전지(1)의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
후면 보호층(160)은 후면 전계부(130)의 상부에 위치하며, 수소화된 실리콘 질화막(SiNx:H), 실리콘 산화막(SiOx:H), 실리콘 질화산화막(SiNxOy:H), 실리콘 산화질화막(SiOxNy:H), 비정질실리콘(a-Si:H) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같은 후면 보호층(160)은 후면 보호층(160)에 포함되는 수소(H)로 인하여, 기판(110)의 표면 및 그 근처에 주로 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 페시베이션 기능(passivation function)을 수행하여 결함에 의해 기판(110)의 표면이나 그 근처에서 손실되는 전하의 양을 감소시킨다.
이와 같은 후면 보호층(160)은 기판(110)이 텍스터링 표면을 갖는 경우, 기판(110)과 유사하게 하게 복수의 요철을 구비한 텍스처링 표면을 갖게 된다.
또한, 이와 같은 후면 보호층(160)은 전술한 수소화된 실리콘 질화막(SiNx:H), 실리콘 산화막(SiOx:H), 실리콘 질화산화막(SiNxOy:H), 실리콘 산화질화막(SiOxNy:H), 비정질실리콘(a-Si:H) 중 적어도 어느 하나가 복수의 층으로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 후면 보호층(160)은 수소화된 실리콘 질화막(SiNx:H)이 두 개의 층으로 형성될 수도 있는 것이다.
이와 같이 함으로써, 후면 보호층(160)의 페시베이션 기능을 보다 강화할 수 있어 태양 전지의 광전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
전면 전극(140)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 기판(110)의 전면에 위치하며, 에미터부(120)에 연결될 수 있다.
이와 같은 전면 전극(140)은 복수의 전면 핑거전극(141)과 복수의 전면 핑거전극(141)과 연결되어 있는 복수의 전면 버스바(142)를 구비한다.
복수의 전면 핑거전극(141)은 에미터부(120)와 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고, 서로 이격되어 정해진 방향으로 나란히 뻗어있다. 복수의 전면 핑거전극(141)은 에미터부(120) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면, 전자를 수집한다.
복수의 전면 버스바(142)는 에미터부(120)와 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고 복수의 전면 핑거전극(141)과 교차하는 방향으로 나란하게 뻗어 있다.
이때, 복수의 전면 버스바(142)는 복수의 전면 핑거전극(141)과 동일 층에 위치하여 각 전면 핑거전극(141)과 교차하는 지점에서 해당 전면 핑거전극(141)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
따라서, 도 1에 도시한 것처럼, 복수의 전면 핑거전극(141)은 가로 또는 세로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프(stripe) 형상을 갖고, 복수의 전면 버스바(142)는 세로 또는 가로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프 형상을 갖고 있어, 전면 전극(140)은 기판(110)의 전면에 격자 형태로 위치한다.
복수의 전면 버스바(142)는 접촉된 에미터부(120)의 부분으로부터 이동하는 전하뿐만 아니라 복수의 전면 핑거전극(141)에 의해 수집되어 이동하는 전하를 수집한다.
각 전면 버스바(142)는 교차하는 복수의 전면 핑거전극(141)에 의해 수집된 전하를 모아서 원하는 방향으로 이동시켜야 하므로, 각 전면 버스바(142)의 폭은 각 전면 핑거전극(141)의 폭보다 크게 할 수도 있다.
이와 같은 복수의 전면 버스바(142)는 외부 장치와 연결되어 수집된 전하(예, 전자)를 외부 장치로 출력된다.
이와 같은 전면 전극(140)의 복수의 전면 핑거전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)는 은(Ag)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있다.
도 1에서, 기판(110)에 위치하는 전면 핑거전극(141)과 전면 버스바(142)의 개수는 한 예에 불과하고, 경우에 따라 변경 가능하다.
후면 전극(150)은 전면 전극(140)과 마찬가지로 복수의 후면 핑거전극(151)과 복수의 후면 핑거전극(151)과 연결되어 있는 복수의 후면 버스바(152)를 구비한다. 이와 같은 후면 전극(150)은 후면 보호층(160)을 관통하여 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(130)와 접촉하고 있고, 이와 같이 후면 전극(150)의 패턴은 전면 전극(140)과 동일한 패턴을 가지고 형성될 수 있다.
이와 같은 후면 전극(150)은 전면 전극(140)과 동일한 재질인 은(Ag)을 포함하거나 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질을 포함할 수도 있다.
이러한 후면 전극(150)은 후면 전계부(130)쪽으로부터 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집한다.
이때, 후면 전극(150)이 기판(110)보다 높은 불순물 농도로 유지하는 후면 전계부(130)와 접촉하고 있으므로, 기판(110), 즉 후면 전계부(130)와 후면 전극(150) 간의 접촉 저항이 감소하여 기판(110)으로부터 후면 전극(150)으로의 전하 전송 효율이 향상된다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(1)의 동작은 다음과 같다.
태양 전지(1)의 전면으로 빛이 조사되어 투명 전극층(125)을 통해 반도체부인 에미터부(120)와 기판(110)으로 입사되고, 태양 전지 모듈의 외부에 배치된 반사경 등에 의해 빛이 반사되어 태양 전지의 후면으로 빛이 조사되어 후면 보호층(160)을 통해 후면 전계부(130)와 기판(110)으로 빛이 입사되면, 빛 에너지에 의해 반도체부에서 전자-정공 쌍이 발생한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(120)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어 전자와 정공은, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(120)과 p형의 도전성 타입을 갖는 기판(110) 쪽으로 각각 이동한다. 이처럼, 에미터부(120) 쪽으로 이동한 전자는 복수의 전면 핑거전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)에 의해 수집되어 복수의 전면 버스바(142)를 따라 이동하고, 기판(110) 쪽으로 이동한 정공은 후면 전계부(130)를 통하여 인접한 후면 핑거전극(151)과 복수의 후면 버스바(152)에 의해 수집되어 복수의 후면 버스바(152)를 따라 이동한다. 이러한 전면 버스바(142)와 후면 버스바(152)를 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
다음, 도 3a 내지 도 3h는 도 1 및 도 2에 도시된 양면형 태양 전지를 제조하는 방법의 일례를 설명한다.
이하의 양명형 태양 전지를 제조하는 방법을 설명하기에 앞서, 비록 도 3a 내지 도 3h에서는 기판(110)의 표면에 복수의 요철이 형성된 것으로 도시되어 있지는 않으나, 복수의 요철이 형성된 것으로 간주하고 설명한다.
먼저, 태양 전지용 웨이퍼를 절단하는 과정에서 saw damage로 인하여 기판(110)의 표면에 남아있는 잔여물을 제거하는 saw damage etching 과정을 수행하고, 이후, 텍스처링 공정을 수행하여, 도 3a와 같이, 기판(110)을 준비한다.
여기서의 기판(110)은 다결정 실리콘 기판(110)일 수 있다. 이와 같은 다결정 실리콘 기판(110)은 가격이 저렴한 장점이 있으나, 기판(110) 내에 금속 불순물이 많이 함유되어 있어 효율이 낮은 단점이 있다.
다음, 후면 전계부(130) 형성단계에서는, 도 3b와 같이, 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판(110)에 제1 도전성 타입의 불순물을 확산시켜 후면 전계부(130)를 형성한다.
이와 같은 확산에 따라, 기판(110)의 전체 표면, 즉 기판(110)의 전후면 및 좌우 측면에는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 후면 전계부(130)가 형성된다.
여기서, 제1 도전성 타입의 불순물을 확산시키기 위해 챔버 내의 공정 온도는 750℃ ~ 900℃ 사이일 수 있으며, 사용되는 도핑 소스는 BBr3 또는 POCl3 일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)이 p 타입인 경우, BBr3 가 사용될 수 있으며, 기판(110)이 n 타입인 경우, POCl3 가 사용될 수 있다.
이와 같이, 후면 전계부(130)를 형성시키는 과정에서 750℃ ~ 900℃ 사이의 고온과 함께 전술한 바와 같은 도핑 소스의 농도를 변화시키면, 전술한 바와 같이 기판(110) 내에 함유되는 금속 불순물이 기판(110)의 외부로 빠져 나오거나, 기판(110) 내에서 한 지점에 모이는 게더링 효과(gettering effect)를 얻을 수 있다.
이에 따라, 비록 다결정 실리콘 기판(110)이라 하더라도, 도 3b와 같은 공정을 통하여 기판(110) 내에 함유되는 금속 불순물을 상당부분 제거할 수 있어 다결정 실리콘을 포함하는 기판(110)의 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 확산층 제거 단계에서는 도 3c와 같이, 후면 전계부(130) 형성단계 이후, 기판(110)의 전면에 형성된 제1 도전성 타입의 불순물이 확산된 확산층을 제거한다.
이와 같은 확산층 제거 단계는 건식 식각이나 습식 시각 등에 의하여 이루어질 수 있다.
이와 같이, 확산층 제거 단계에서 기판(110)의 전면만 확산층을 제거고, 기판(110)의 양 측면에는 후면 전계부(130)를 그대로 놔둠으로써, 기판(110)의 측면에서도 캐리어를 수집하도록 할 수 있다.
다음, 후면 보호층(160) 형성단계는, 도 3d와 같이, 후면 전계부(130) 형성단계에서 기판(110)의 후면에 형성된 후면 전계부(130)의 상부에 후면 보호층(160)을 형성한다. 이와 같은 후면 보호층(160)은 CVD나 PECVD 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
이후, 기판(110)의 후면에 후면 전극(150)을 형성시키는 후면 전극(150) 형성단계는, 먼저, 후면 전극(150)을 형성하는 페이스트 물질을 후면 보호층(160)의 상부에 형성시키고, 이후, 고온 가열 공정을 통하여, 후면 보호층(160) 상부에 형성된 페이스트 물질이 후면 보호층(160)을 관통하여 후면 전계부(130)와 연결되도록 한다. 여기에서의 고온 가열 공정 온도는 최대 800℃ 이하일 수 있다.
이에 따라, 도 3e에 도시된 바와 같이, 후면 전극(150)이 기판(110)의 후면에 배치된 후면 보호층(160)을 관통하여 후면 전계부(130)에 전기적 및 물리적으로 연결되는 구조를 형성시킬 수 있다.
다음, 에미터부(120)가 다결정 실리콘 물질로 이루어지는 기판(110)과의 계면 접촉을 향상시키기 위해 에미터부(120) 형성 단계 이전에 기판(110)의 전면에 진성 비정질 실리콘 물질을 증착하는 버퍼층(121) 형성단계가 먼저 수행될 수 있다.
이후, 기판(110)의 전면에 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 증착시키는 에미터부(120) 형성단계를 수행한다.
이에 따라, 도 3f에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 전면 상부에는 버퍼층(121)이 먼저 형성되고, 버퍼층(121) 상부에 에미터부(120)가 형성될 수 있다.
이에 따라, 기판(110)과 에미터부(120)는 버퍼층(121)을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하게 되며, 결정질 실리콘으로 이루어지는 기판(110)과 비정질 실리콘으로 이루어지는 에미터부(120)의 에너지 밴드갭 차이로 인하여, 기판(110)과 에미터부(120) 사이에 형성되는 전도대(conduction band)의 밴딩이 커지게 되고, 아울러 기판(110)과 에미터부(120) 사이에 형성되는 가전도대(valence band)의 밴딩이 커지게 되어 에너지 밴드갭의 오프셋(off set) 에너지도 커지게 된다. 이에 따라, 태양 전지의 출력 전압(Voc)이 커지게 되어, 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 버퍼층(121) 형성단계와 에미터부(120) 형성단계에서는 PECVD 또는 CVD 증착 방법이 될 수 있다.
이후, 도 3g에 도시된 바와 같이, 에미터부(120) 형성단계 이후, 에미터부(120) 상부에 투명 전극층(125)을 형성한다. 이와 같은 투명 전극층(125)은 앞서 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 낮은 저항을 가지므로 에미터부(120)로 수집된 캐리어(예를 들면 전자)를 전면 전극(140)으로 쉽게 이동시킬 수 있으며, 투명한 특성으로 인하여 반사 방지막으로서도 기능한다.
또한, 아울러, 이와 같은 투명 전극층(125)은 비정질 실리콘 또는 미세 결정질 실리콘 물질로 이루어지는 에미터부(120)와 전면 전극(140) 사이의 오믹 컨텍(ohmic contact)을 형성시켜, 계면 특성을 향상시키는 기능을 한다.
마지막으로, 도 3h와 같이, 에미터부(120) 상부에 전면 전극(140)을 형성시키는 전면 전극(140) 형성단계는 먼저, 전면 전극(140)을 형성하는 페이스트를 투면 전극층 상부에 형성시키고, 저온 가열 공정을 통하여 전면 전극(140)을 형성하는 페이스트를 소성, 건조시킴으로써 전면 전극(140)이 형성된다.
여기서, 저온 가열 공정의 온도는 도 3e에서의 고온 가열 공정 온도보다 낮게 할 수 있다. 이와 같이, 전면 전극(140) 형성단계에서의 가열 공정의 온도를 낮게 하는 것은 비정질 실리콘으로 이루어지는 버퍼층(121)과 에미터부(120)의 손상을 방지하기 위해서이다. 이와 같은 도3h의 저온 가열 공정의 온도는 일례로 최대 250℃이하일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판에 상기 제1 도전성 타입의 불순물을 확산시켜 후면 전계부를 형성하는 후면 전계부 형성단계;
    상기 기판의 후면에 후면 전극을 형성시키는 후면 전극 형성단계;
    상기 기판의 전면에 상기 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 증착시키는 에미터부 형성단계; 및
    상기 에미터부 상부에 전면 전극을 형성시키는 전면 전극 형성단계;를 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전계부 형성단계와 상기 에미터부 형성 단계 사이에 상기 기판의 전면에 형성된 제1 도전성 타입의 불순물이 확산된 확산층을 제거하는 단계;를 더 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전계부 형성단계와 상기 후면 전극 형성 단계 사이에는 상기 기판의 후면에 후면 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전극 형성단계는
    상기 후면 전극을 형성하는 페이스트 물질을 상기 후면 보호층 상부에 형성시키는 단계; 및
    고온 가열 공정을 통하여, 상기 후면 보호층 상부에 형성된 페이스트 물질이 상기 후면 보호층을 관통하여 상기 후면 전계부와 연결되는 단계;를 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 확산층 제거단계와 상기 에미터부 형성단계 사이에는
    상기 기판의 전면에 진성 비정질 실리콘 물질을 증착하는 버퍼층 형성단계;를 더 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 에미터부 형성단계와 상기 전면 전극 형성단계 사이에는 상기 에미터층 상부에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 전면 전극 형성단계는
    상기 전면 전극을 형성하는 페이스트를 상기 투면 전극층 상부에 형성시키는 단계; 및
    저온 가열 공정을 통하여 상기 전면 전극을 형성하는 페이스트를 건조시켜 상기 전면 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 전면 전극 형성단계에서의 저온 가열 공정 온도는 상기 후면 전극 형성단계에서의 고온 가열 공정 온도보다 낮은 양면형 태양 전지 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전계부 형성단계에서는 도핑 소스로 BBr3 또는 POCl3 을 이용하는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전계부 형성단계에서의 공정 온도는 750℃ ~ 900℃ 사이인 양면형 태양 전지 제조 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 에미터부 형성단계는 PECVD 또는 CVD 증착 방법에 의해 형성되는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 후면 전극 형성단계에서의 고온 가열 공정 온도는 최대 800℃이하인 양면형 태양 전지 제조 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 전면 전극 형성단계에서의 저온 가열 공정 온도는 최대 250℃이하인 양면형 태양 전지 제조 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 후면 전계부 형성 단계에서는 상기 기판의 전후면 및 측면에 상기 후면 전계부가 형성되는 양면형 태양 전지 제조 방법.
  15. 제1 도전성 타입의 불순물이 함유되는 기판;
    상기 기판의 후면 및 양 측면에 형성되며, 상기 제1 도전성 타입의 불순물이 상기 기판보다 고농도로 도핑되는 후면 전계부;
    상기 기판의 후면에 형성된 상기 후면 전계부의 상부에 형성되는 후면 보호층;
    상기 기판의 후면에 형성되되, 상기 후면 보호층을 관통하여 상기 후면 전계부에 전기적으로 연결되는 후면 전극;
    상기 기판의 전면에 형성되며, 상기 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물이 함유된 비정질 실리콘 물질을 포함하는 에미터부; 및
    상기 에미터부에 전기적으로 연결되는 전면 전극;을 포함하는 양면형 태양 전지.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 기판은 다결정 실리콘 기판인 양면형 태양 전지.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 후면 전계부는 포함되는 상기 제1 타입의 불순물은 붕소(B)인 양면형 태양 전지.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 에미터부는 비정질 실리콘 물질을 포함하는 양면형 태양 전지.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 전면 전극과 상기 에미터부 사이에는 투명 전도성 산화물을 포함하는 투명 전극층이 더 형성되는 양면형 태양 전지.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 에미터부와 상기 기판 사이에는 진성 비정실 실리콘 물질을 포함하는 버퍼층이 더 포함되는 양면형 태양 전지.
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CN114284381A (zh) * 2020-09-18 2022-04-05 嘉兴阿特斯技术研究院有限公司 异质结太阳能电池及其制作方法

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